汽车主销内倾测量精度分析及校准仪器

ｓｉｎ。Ｄｌ ＝（ｔａｎ ６ｔａｎ卢一ｔａｎ ７）ｃｏｓ ｎ，ｌｃｏｓ ６＋ｔａｎ ｙ
（５）
令
』尺＝（‘ａｎ ｙｃ。ｓ ６¨ａｎ卢ｓｉｎ∞。１
Ｌ５＝尸ｔａｎ ｙ
则式（５）可化为
Ｒｓｉｎ∞ｌ＋ｃｏｓ∞ｌ—Ｓ＝Ｏ
移项并平方后可化为 （Ｒ２＋１）ｓｉｎ ２∞ｌ一２ＲＳｓｉｎຫໍສະໝຸດ Baiduｌ＋Ｓ２—１＝Ｏ 再令
Ｉ黧１
Ｌ厂＝Ｊｓ２一ｌ
摘要：为解决四轮定位仪测量主销内倾的精度问题，建立了精确的内倾测量模型．分析了主销内倾
与传感器测量角间的非线性关系以及主销后倾变化等因素对主销内倾测量精度的影响．讨论了测
量误差的分布趋势，当主销倾角大于１００时线性模型测量误差大于１０’．针对无法校准主销倾角测
量结果的现状，提出了在汽车纵横两平面内主销倾角独立生成的检定原则，研发了精度达到３０”的
４试验
由主销内倾测量模型知，为检验测量结果的线 性度，不能在主销后倾为零时检定主销内倾，而应使 主销处在空间一般位置角度，即主销同时具有后倾 角和内倾角时进行，这样可以验证测量模型中两主 销倾角之间对测量结果的相互影响，图６为某型号
万方数据
２１２
江苏大学学报（自然科学版）
第２８卷
四轮定位仪检定试验的照片。分别取主销后倾和内 倾同时为０。，３。，６。，９。，１２。和１５。进行试验，共检定 ５次．试验结果如表ｌ所示．
第２８卷第３期 ２００７年５月
江苏大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
Ｖ０１．２８ Ｎｏ．３ Ｍａｖ ２００７
汽车主销内倾测量精度分析及校准仪器
徐观，苏 建，何凤江，陈 熔，戴建国
（吉林大学交通学院，吉林长春１３００２５）
则该方程的两根为
（ｓｉｎ训Ⅲ＝兰等型（６）
２ 主销内倾测量误差分析
四轮定位仪为提高测量精度，常采用相对测量 法，即将车轮向左右转动得到的传感器测量角∞．，
∞：之和∑∞作为主销内倾的最终计量角，采用
万方数据
第３期
徐·观等：汽车主销内倾测量精度分析及校准仪器
２ｌｌ
１／２ｓｉｎ ６倍的＞’∞标定主销内倾．
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ａｘｌｅ
ｉｎｃＨｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃａＵｂｒａｔｉｏｎ ａｐｐａｒａｔｌｌｓ
ＸＵ Ｇｕ帆，ｓＵ ｊ妣，ＨＥ Ｆｅｎｇ－ｊ洒Ｌｇ，ＣＨＥＮ Ｒ０ｎｇ，ＤＡｌ】ｔｎｎ－ｇｕ０
（Ｔｒａｍｃ ａｎｄ Ｔｍｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ，Ｊｉｌｉｎ ｌ ３００２５．Ｃｈｉ咖）
和前束．由于车轮主销是处于空间一般位置角度的
收稿日期：２００６一１２—２５ 基金项目：交通部行业标准《四轮定位仪》制订项目（Ｊｒｌ２０００一１０）；吉林大学“２１ｌ工程”建设基金资助项目（２０００一０３３）；长春市新星创
业计划资助项目（０６ｘＸ０２） 作者简介：徐观（１９８１一），男，吉林长春人，博士研究生（ｓｕｊｉ８ｎ＠ｊｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ），主要从事汽车智能化检测研究．
由式（６）可知主销内倾测量角＞Ｉ∞为关于主
销内倾ＪＢ、主销后倾ｙ、车轮水平转角６的函数，测量 结果受以上因素影响．
．
图３表示在车轮转角６＝２０。时，主销内倾的测 量误差，其中右下角为局部放大视图．图中ｌ表示线 性模型；２—６分别表示主销后倾为２００，１５ ｏ，１００，５。 和Ｏｏ时传感器测量角与主销内倾的关系曲线．由图 ３可知，随主销内倾ｐ的增大，卢与＞：∞的非线性关 系越显著，线性模型的测量误差增大．同时，主销后 倾的增大会使主销内倾测量误差减小，但并不能补 偿由于主销内倾的增大产生的误差．当主销后倾大 于ｌＯｏ时，主销内倾在１６．６０时，测量误差已大于标 准中规定的±６’的范围．因此，主销内倾的测量结果 必须校准以保证测量精度．
令Ｄｙ＝Ｄｙ’＝Ｄ矿７＝尺，ｙ’ｒ’＝矿’ｒ＝ｙｒ，当 车轮向右转动６时，有
图２ 主销内倾精确测量模型
Ｆｉｇ．２ Ｐｒｅｃｉｓｅ ＳＡＩ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ
则有
ｙ’形＝ｙ丁＋ｒ’形＝Ｒ［ｔａｎ ｙ＋（ｔａｎ ６ｔａｎ卢一
ｔａｎ ７）ｃｏｓ∞Ｉ ｃｏｓ ６］
（４）
将式（４）代人式（１）得
１．１主销倾角测量原理 四轮定位仪测量主销倾角如图１所示．主销轴
线即是车轮转向时所绕的处于空间一般位置角度的 假想轴线．主销在汽车纵横两平面上的投影与车辆 支承平面的垂线所夹的锐角即为主销后倾ｙ和主销 内倾口．四个传感器测量头通过夹具连接到轮辋上， 当车轮向左右各转动一定角度时，从车轮下方的转 角盘读出车轮转角．将测量头内部垂直布置的两倾 角传感器测得的角度依照测量模型计算可以得到主 销内倾和主销后倾．
ＤＥＦＧ表示水平面，四边形脚心相对水平面的夹角
ｙ为主销后倾角．四边形￡ＭⅣＰ为与主销垂直相交
的平面，该平面是刖胀平面以Ｊｓｒ为轴转动主销内 倾届形成的，ＤＥ是车轮向右转动６时，垂直于转向节
轴线且在水平面内的线段，ＤＦ是车轮向左转动６ 时，垂直于转向节轴线且在水平面内的线段，ｘ，形 位于水平面内ｐＪ．
三个分度盘的轴线、卡盘轴线及主销轴线五轴 需相交于一点，实现了运动轨迹要求．为在汽车纵横 平面分别得到正确的主销投影，运用两个转动轴线 相互垂直且可通过分度盘独立驱动的导轨设定主销
Ｆｉｇ．５
图５检定装置虚拟样机 Ｖｉｒｔｕａｌ ｐｍｔｏｔｙｐｅ ｏｆ ｃａｌｉｂｍｔｉｏｎ ａｐｐａｒａｔｕｓ
该检定装置创新之处在于能够避免理论误差并 实现对四轮定位仪测量主销后倾和内倾的直接校 准，提出了在汽车纵横两平面主销倾角独立设定的 四轮定位仪检定原则，开发了相应的检定机构；利用 水平分度盘上的拨叉实现了将水平面的角位移转化 为绕主销转角的目的．
四轮定位仪校准装置．试验表明：四轮定位仪测量主销内倾存在零点误差和线性度系统误差．当受
检四轮定位仪主销倾角为１５０时，其测量误差为１８ ７，且系统误差随主销倾角增大而增大．试验结果
与理论值相符．
关键词：主销内倾；主销后倾；四轮定位；误差分析；校准
中图分类号：Ｕ４７２．９
文献标志码：Ａ
文章编号：１６７１—７７７５（２００７）０３—０２０９一０４
苏建（１９５４一），男，内蒙古呼盟人，教授．博士生导师（ｓｕｊｉａｎ＠ｊｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ），主要从事车辆智能化诊断理论研究．
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江苏大学学报（自然科学版）
第２８卷
假想轴线，无测量基准，主销倾角只能依靠近似线性 公式间接测量，会产生一定的理论误差．作者在四轮 定位仪标准制定过程中，建立了精确的主销内倾测 量模型，研究了现有模型的理论误差，提出了应用车 辆纵横两平面内主销后倾和内倾独立设定原则的检 定方法，研发了精度为３０”的检定仪器，解决了无法 正确校准主销倾角的问题．
ｏｂｌｉｑｕｉｔｙ， ｃａｌｉｂｍｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｋｉｎｇｐｉｎ ｏｂｌｉｑｕｉｔｙ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｅｎａｃｔｍｅｎｔ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ ａｎｄ ｔｒａＶｅｒｓｅ ｓｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ． Ａ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ａｐｐａｍｔｕｓ ｏｆ ｆｏｕｒ－ｗｈｅｅｌ ａｌ培ｎｅｒｓ ｉｓ
量的结论。 提出了在汽车纵横两平面内主销倾角独立设定
的检定原则，并依据该原则构造检定模型，开发了精 度达到３０”的试验样机．试验表明，被检四轮定位仪 测量主销内倾存在零点误差和线性度系统误差，当 主销内倾大于６０时测量误差超过标准中规定的±６’ 的要求，必须进行零点及线性度的标定．有效解决了 四轮定位仪测量主销空间角度量值校准的问题．
３ 主销倾角的校准机理
为提高四轮定位仪测量主销倾角结果的准确 性，针对现有四轮定位仪检定装置不能对主销倾角 的测量结果进行正确检验的现状，提出了新的检定 模型并研发了一种四轮定位仪检定装置．
检定装置结构如图４，５所示，分别通过两个分 辨率为１０”的高精度分度盘读取主销后倾及内倾的 数值ｙ，卢，采用水平分度盘模拟检测过程中的车轮 转角６Ｍ’７。．针对不同四轮定位仪传感器具有相同装 夹方式的特点，采用高精度自定心卡盘装夹传感器 测量头，满足了各种四轮定位仪的需要．
ｆ
图４四轮定位仪检定装置结构
＜ 基
Ｆ培．４ Ｓｔｍｃｔｕｒｅ ｏｆ ｆｏｕ卜ｗｈｅｅｌ ａｌｉｇｎｅｒ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ａｐｐａｒａｔｕｓ
翟
骞 ＋Ｈ
主销内倾测量角／（。）
图３ 主销内倾与传感器测量角关系
Ｆｉｇ．３ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ＳＡＩ ａｎｄ ｓｅｎｓｏｒ ７ｓ ａｎｇｌｅ
倾角．即主销内倾导轨绕ｙ轴拨动主销转动一定角 度并锁紧后，模拟主销在石以面投影不变，可从主销 内倾分度盘读出主销内倾，然后主销后倾导轨绕石 轴再拨动主销转动一定角度时，主销投影满足如下
两点：模拟主销在烨面的投影形成的主销后倾角
可从主销后倾分度盘读出，其值不受主销内倾影响； 同理对主销后倾的设定也不受主销内倾的影响，也 就是汽车纵横两平面内主销倾角独立设定原则．
１主销内倾精确测量模型的建立
册＝等 ｓ８ｍｉ∞吣Ｉ ２＝而努２＝百 警
电Ｔ‘Ｗ／ＭＥ＝ｏＷ／ｏＥ得
丁’形＝—＿－——≯
（Ｌ １１ ）Ｊ （２））
其中∞，为车轮右转时传感器测量角． Ｊ７ｌ死Ｅ＝＾Ⅳ一Ｅ，＝Ｒｔａｎ ６ｔａｎ厣一尺ｔａｎ ｙ 由式（２）和（３）得
（３）
ｒ’形＝Ｒ（ｔａｎ ６ｔａｎ卢一ｔａｎ ｙ）ｃｏｓ∞Ｉ ｃｏｓ ６
ｉｎｖｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｉｔｓ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｓ ｕｐ ｔｏ ３０”． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｚｅｒｏ ｅＩ‘Ｉ．ｏｒ ａｎｄ １ｉｎｅａｒ ｓｙｓｔｅｍ ｅｒｍｒ ｅｘｉｓｔ ｗｈｅｎ ＳＡＩ ｉｓ ｔｅｓｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｆｏｕｒ—ｗｈｅｅｌ ａｌｉｇｎｅｒｓ．Ｍｅｔｒｉｃａｌ ｉｓ ｅｒｒｏｒ １８’ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｋｉｎｇｐｉｎ ｏｂｌｉｑｕｉｔｙ ｉｓ １５。ａｎｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｅｒｍｒ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ａｓ ｋｉｎｇｐｉｎ ｏｂｌｉｑｕｉｔｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄ ｔｏ ｔｈｅ ｔｈｅｏ— ｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗｅｌｌ．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｅｃｉｓｅ ｍｅｔｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ａｘｌｅ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ（ＳＡＩ）ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｆｏｒ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｆｏｕ卜ｗｈｅｅｌ
ａｌｉｇｎｅｒｓ’ｍｅｔｒｉｃａｌ ｅｒｍｒ． Ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ＳＡＩ ａｎｄ ｓｅｎｓｏｒ’ｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｇｌｅ，ａｎｄ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｃａｓｔｅｒ ｗｈｉｃｈ ａｆｋｃｔｓ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ．Ｉｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｍｅｔｒｉｃａｌ ｅｒｍｒ ｉｓ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ １０’ｗｈｅｎ ｋｉｎｇｐｉｎ ｏｂｌｉｑｕｉｔｙ ｉｓ ｏｖｅｒ １０。．Ｔｂ ｃａｌｉｂｍｔｅ ｍｅｔｒｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｋｉｎｇｐｉｎ
图６检定试验
Ｆｉｇ．６ Ｃａｌｉｂｍｔｉｏｎ ｔｅｓｔ
ｍ德轴舢ｅｎｔ 表ｌ主销内倾测量误差
Ｔ钮ｂ．１ Ｅｒｍｒ ｏｆ ＳＡＩ
Ｆｉｇ．１
图１ 四轮定位仪主销倾角检测 Ｋｉｎｇｐｉｎ ｏ．ｂｌｉｑｕｉｔｙ ｔｅｓｔ ｏｆ ｆｏｕ卜ｗｈｅｅｌ ａｌｉｇｎｅｒ
１．２主销内倾精确测量模型 以左前轮为例，建立主销内倾测量模型如图２
所示．戈ｏｚ面为汽车横平面，），ｏｚ面为汽车纵平面，戈ｏｙ 面为水平面．Ｄｚ为主销轴线，Ｄｃ为车轮转向节轴线 方向，０ｙ为与车轮平面平行且水平的线段．四边形
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＡＩ；ｃａｓｔｅｒ；ｆｏｕ卜ｗｈｅｅｌ ａｌｉｇｎｅｒ；ｅＨ．０ｒ肌ａｌｙｓｉｓ；ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ
四轮定位仪是应用最为广泛的汽车车轮定位角 度检测设备，可检测车轮前束、车轮外倾、主销后倾 及内倾等重要定位参数，其测量的准确性将对行车
安全性和平顺性产生影响‘卜４｜． 现有四轮定位仪的校准方法主要针对车轮外倾